Ученые из Университета Джорджии разработали способ получения электрической энергии, используя процесс фотосинтеза, происходящий в растениях.

Путем изменения белков внутри тилакоидов растительных клеток, которые отвечают за хранение солнечной энергии, ученые получили возможность перехватить электроны прежде, чем в процессе фотосинтеза их используют для получения сахара. Для «ловли» электронов используют углеродные нанотрубки.

Впрочем, метод пока нуждается в доработке, результаты феноменальными не назовешь. Однако в будущем данный способ получения в прямом смысле экологически чистой энергии может стать востребованным. Во всяком случае, составить конкуренцию традиционным солнечным батареям он сможет.

Учёные добыли энергию из света с помощью искусственной клетки

Группа сотрудников Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетика США (DOE) под руководством ведущей проекта Елены Рожковой создала биоинспирированную (подсмотренную у природы) искусственную клетку, которая смогла преобразовать падающий на неё свет в запас химической энергии. Для этого учёные заменили некоторые естественные биологические механизмы в клетке на искусственные небиологического происхождения. Подобный подход, как считают разработчики, откроет новый путь к хранению энергии. 

Искусственные протоклетки под электронным микроскопом (Argonne National Laboratory)

Искусственные клетки или протоклетки для преобразования света в химическую энергию представляет собой полые капсулы, внутри которых посредством спонтанной самосборки и сил слабого взаимодействия собираются гибридные наностержни из золота и серебра. Сначала происходит самосборка, а потом наночастицы обволакиваются мембраной из такого белка, как бактериородопсин. Этот белок интересен тем, что он работает как зависимая от света биологическая помпа, перекачивая протоны из клетки на её наружную поверхность.

В конечном итоге под воздействием света вне клетки начинает расти концентрация протонов, образуя так называемый электрохимический градиент. И в этом ключ к исследованию. Учёные ввели во взаимодействие с искусственными клетками вторую группу искусственных клеток, которые использовали скопления протонов как «топливо» для выработки молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Эксперимент показал хорошо фиксируемый рост концентраций АТФ при воздействии видимого света на колонию протоклеток. 

Группа учёных во главе с руководителем проекта Еленой Рожковой (справа вверху)

Дальше дело техники. АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Фактически это химическое топливо, которое можно запасать и расходовать по своему усмотрению. Из искусственных клеток было выброшено всё лишнее, кроме примитивного механизма для использования протонов в качестве обменных ионов. Иными словами клетке оставили одну-единственную функцию ― синтез богатых энергией молекул-носителей. Также существует вероятность, что вместо протонов в качестве среды обмена можно использовать ионы натрия или ионы кальция.

Наконец, металлические наночастицы вблизи белковой мембраны, поглощающей свет, служат своего рода линзами для фокусировки света на поверхности мембраны, что активизирует биологические реакции. В целом эксперимент признан успешным и будет продолжен.

Создано устройство, которое генерирует свет от холодного ночного неба

Учёные Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали недорогое термоэлектрическое устройство, которое использует холод космоса без активного ввода тепла для генерации электроэнергии, сообщает 12 сентября журнал Joule.

Хотя солнечные элементы являются довольно эффективным источником возобновляемой энергии в течение дня, в настоящее время не существует аналогичного подхода к выработке энергии ночью. Солнечные фонари могут быть оснащены батареями для хранения энергии, чтобы светить и в ночное время, но это существенно увеличивает расходы.

Устройство, разработанное учёными под руководством Аасвата Рамана, доцента кафедры материаловедения и инженерии, позволяет обойти эти ограничения, используя охлаждение, при котором обращенная к небу поверхность излучает тепло в атмосферу, достигая более низкой температуры, чем окружающий воздух. Такое явление объясняет, как на траве образуется изморозь в холодные ночи, и тот же принцип можно использовать для выработки электроэнергии, используя перепады температур для выработки возобновляемой электроэнергии в ночное время, когда освещение необходимо.

Учёные протестировали свой термоэлектрический генератор на крыше в Стэнфорде, штат Калифорния, ещё зимой. Устройство, состоящее из полистирольного кожуха, покрытого алюминированным майларом для минимизации теплового излучения и прозрачной для инфракрасного излучения ветрозащитой, было установлено на подставке высотой 1 м. Аппарат отбирал тепло из окружающего воздуха и выделял его в ночное небо через простой черный излучатель. Исследователи измеряли его выходную мощность в течение шести часов, зафиксировав, что он вырабатывает до 25 милливатт энергии на квадратный метр.

Поскольку излучающий охладитель состоит из простого алюминиевого диска, покрытого краской, а все остальные компоненты можно просто купить в магазине, учёные считают, что устройство можно легко приспособить для практического использования. Количество электричества, которое он вырабатывает на единицу площади, остаётся относительно небольшим, что ограничивает его широкое применение. Однако исследователи прогнозируют, что устройство можно сделать в двадцать раз мощнее с помощью доработки. Также работа в более жарком и сухом климате будет гораздо более эффективной.

Учёные сообщили о создании «антисолнечной» батареи

В рубрике «Поговорим о науке» на этот раз затрагивается вопрос альтернативных источников энергии. Речь пойдёт о батареях, которые обычно принято называть солнечными. Но на этот раз - об особом виде этих источников энергии, которые в термин «солнечные» уже, если можно так сказать, не умещаются.

На днях в Калифорнийском университете (США) был представлен доклад о создании и тестировании уникальных батарей. Профессор кафедры электротехники упомянутого университета Джереми Мандэй рассказывает о том, что новый вид фотоэлектрических батарей обладает свойством устойчивой генерации электроэнергии даже в ночное время суток. По словам руководителя исследовательской группы, созданное устройство способно выдавать мощность на уровне 50 Вт на квадратный метр. Правда, профессор делает важное замечание: погодные условия должны быть близкими к идеальным.

Представители исследовательской группы отмечают, что мощность генерации в ночное время составляет до четверти дневных показателей. Это высокая планка, которую в Калифорнийском университете планируют повышать, экспериментируя в том числе с фоточувствительным слоем.

Принцип работы созданной западными разработчиками "ночной" батареи выглядит как обратный принципу действия классической солнечной батареи.

Речь идёт о том, что большая часть электрической энергии генерируется не из-за того, что световое излучение падает на поверхность устройства, а из-за того, что само устройство в ночное время суток оказывается более нагретым, чем окружающая среда. Инфракрасное излучение уходит в окружающее пространство: генерация происходит за счёт отдачи тепла.

Профессор Мандэй:

Обычный солнечный элемент генерирует энергию, поглощая солнечный свет, что вызывает появление напряжения на устройстве и протекание тока. В этих новых устройствах вместо этого энергия определённой длины волны (инфракрасный диапазон), а ток и напряжение идут в противоположном направлении, но вы все равно получаете ЭДС.

Отмечено, что такая система способна работать круглосуточно. Для повышения её КПД проводятся исследования по балансу поглощаемой и излучаемой световой (тепловой) энергии.

В своём релизе учёные назвали устройство "антисолнечной" батареей.

Создано устройство, превращающее тепло в свет

Ученые изобрели устройство на основе углеродных нанотрубок, способное превращать тепловое излучение в узкий пучок света, который затем можно преобразовать в электроэнергию. Об этом пишет издание Naked Science, передает Tengrinews.kz. 

Инфракрасное излучение - компонент солнечного света, который переносит тепло, но это лишь небольшая часть электромагнитного спектра. Любая горячая поверхность испускает тепло в виде инфракрасного излучения. Проблема в том, что оно широкополосное, в то время как преобразование света в электричество эффективно только в узком диапазоне длин волн, объясняет издание.  

Изображение нового материала, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии /©Университет Райса

Чтобы решить проблему эффективного получения электричества из теплового излучения, ученые создали новый материал на основе углеродных нанотрубок. Он собирает инфракрасное излучение в широком диапазоне длин волн (который, как правило, составляет около четырех микрометров) и преобразует его в видимый свет.

Пленки из нанотрубок оказались проводниками, которые поглощают отработанное тепло и превращают его в узкополосные фотоны. "Выравнивание" трубок в таких пленках в одном направлении приводит к тому, что электроны начинают течь строго в одном направлении — как в металле при его включении в электрическую цепь. Такой эффект называется гиперболической дисперсией. Тепловые фотоны могут попасть на пленку с любого направления, но выйти из нее способны только через один конец.

Исследователи из Университета Райса, которые создали этот материал, продемонстрировали его работоспособность при температурах до 700 градусов Цельсия. Ученые также посчитали, что, если интегрировать материал в существующие солнечные батареи, их эффективность удастся повысить на 22 процента. А теоретический прогноз говорит о том, что этот показатель можно увеличить и до 80 процентов.